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강정구, 김용훈 교수, 초고속 충전 가능한 리튬이온 배터리 소재 개발
우리 대학 EEWS 대학원 강정구, 김용훈 교수 공동 연구팀이 빠른 속도의 충, 방전이 가능한 동시에 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다.
이번 연구는 3차원 그물 형상의 그래핀과 6나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 기술이다.
이를 통해 탄소계열 물질 위주의 기존 전극이 갖고 있던 고출력 성능이 제한되는 문제를 개선해 고성능의 배터리 전극을 구현했다. 향후 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이규헌 박사과정, 이정우, 최지일 박사가 주도한 이번 연구 결과는 국제 과학 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 지난 5월 18일자 온라인 판에 게재됐다.
현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 이 그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법인데 이 과정에서 결함 및 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는데 방해가 된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 화학기상증착법을 이용해 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조했다. 그 위에 메조 기공이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 구현했다.
이 기술로 일반적인 전극 구성물질인 유기 접착제와 전도성 재료를 사용하지 않음으로써 전극 제조 공정을 간소화했고 전기 전도성을 높였다.
또한 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공들이 전해질의 접근성을 높이는 역할을 한다. 이를 통해 이온들의 접근을 촉진시키고 원활한 전자의 이동이 가능하게 한다.
이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다. 따라서 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충, 방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다.
연구팀은 1분 이내에 130mAh/g의 용량을 완전히 충, 방전하는데 성공했고, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동함을 확인했다.
연구팀은 “재료의 물성을 극대화시킬 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다”고 밝혔다.
강 교수는 “재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과이다”며 “구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것이다”고 말했다.
이 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단의 도약사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 그물 형상의 그래핀위에 증착된 메조기공을 형성하는 이산화 티타늄 박막 복합 구조체의 모식도
그림2. 리튬이 삽입된 구조분석
그림3. 바인더 없이 제조된 고출력고수명 특성
2016.06.20 조회수 17996 -
강정구, 김용훈 교수, 태양광 이용 이산화탄소로 메탄올 변환 성공
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있는 광촉매를 개발했다.
이 기술은 값싼 물질에 간단한 공정으로 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다. 향후 탄소배출규제 시행에 따른 이산화탄소 처리 및 저감 문제를 해결할 수 있는 대안 기술이 될 것으로 기대된다.
이동기, 최지일 박사가 참여한 이번 연구는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
매년 우리나라에서는 6억 톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억 톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤 당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다.
경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 하고 있다.
식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다.
하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양 에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마(cold Plasma) 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다.
이 기술로 자외선(UV)영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만 배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다.
또한 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다.
이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다.
강 교수는“이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 태양광을 이용한 이산화탄소의 메탄올로의 변환 과정
그림2. 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매
2016.05.26 조회수 22009